Полупроводниковый фоточувствительный прибор

 

О П И С А Н И Е 383!25

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Сопиалистических

Республик

Зависимое от авт. свидетельства №вЂ”

Заявлено 22.111.1971 (Ле 1640520/26-25) с присоединением заявки №вЂ”

Приоритет—

Опубликовано 23.Ч.1973. Бюллетень ¹ 23

Дата опублчлко в ания оп исаи и я 13Х111.1973.

М. Кл. Н 01/ 15/02

Котаитет по делам ивобротений и открытий при Совете Министров

СССР

УДК 621.382 (088.8) Авторы изобретения

А. А. Гуткин, М. В. Дмитриев и Д. Н. Наследов

Ордена Ленина физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе,.-,- ...,.

АН СССР

1 ;,ЦЙЙ :- : .

Заявитель

ПОЛУПРОВОДНИКОВЪ|й ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫИ ПРИБОР

Известен полупроводниковый фоточувствительный прибор с выпрямляющим контактом металл-полупроводник у освещаемой поверхности. Для обеспечения пропускания излучения в полупроводник металлический электрод в таком фотодиоде выполнен в виде решетки или полупрозрачной пленки. Спектральный диапазон чувствительности такого фотодиода — основная полоса поглощения полупроводника. Фоточувствительность опре- 10 деляется областью полупроводника у освещаемой поверхности, включающей в себя запорный слой и примыкающий к нему слой толщиной порядка диффузионной длины неосновных носителей заряда. Если такой фотодиод освещать с противоположной стороны, то спектр фоточувствительности изменится и в случае, когда толщина полупроводника d>(W+2L) (где W — толщина запорного слоя, L — диффузионная длина неосновных носителей заря да), наблюдается спад фоточувствительности и высокоэнергетической области, обусловленный уменьшением глубины проникновения излучения в полупроводник относительно расстояния от освещаемой поверхности до запорного слоя из-за роста коэффициента оптического поглощения. Спектральный диапазон фоточувствительности в этом случае сужается до величины, соизмеримой со спектральной шириной низкоэнергетического края основной З0 полосы поглощения А. Энергетическое положение пика фоточувствительности для данного материала полупроводника зависит от толшипы запорного слоя W, толщины полупроводника d и может быть предварительно задано при конструировании прибора путем выбора материала с нужной концентрацией основных носителей заряда и геометрических размеров полупроводника. В одном случае фотодиод используется как приемник излучения при энергии фотонов E==E (где ń— ширина запрещенной зоны полупроводника). В другом — как узкополосный избирательный приемник излучения с Е==Ez. Такой приемник может быть удобным для индикации излучения полупроводникового лазера, светодиода и т. п.

Однако этот фотодиод невозможно использовать в схемах автоматики, телемеханики и оптоэлектроники, когда возникает необходимость в электронном переключении фотодиода с одного спектрального диапазона фоточувствительности на другой.

Цель изобретения — получить возможность электронного переключения путем изменения внешнего напряжения с режима фоточувствительности при Е>Е. во всем диапазоне основной полосы поглощения полупроводника на режим чувствительности при Е<Е, и полушириной лика, соизмеримой с А, со сменой эна|ка фототока, а таиже возможность обрат383125

65 ного переключения (E„ пороговая энергия, зависящая от геометрических размеров фотодиода, физических параметров полупроводника и соизмеримая с шириной запрещенной зоны полупроводника).

Это достигается тем, что прибор на тыльной стороне содержит второй выпрямляющий контакт, а расстояние между выпрямляющими контактами определяется из условия

2(Ч + L) d (W+2L), где W — толщина запорного слоя у неосвещенной стороны;

d — расстояние между контактами;

Š— диффузионная длина неосновпых носителей тока.

Если к предлагаемому фотодиоду не прикладывать извне напряжения, то он фоточувствителен в области Е)Е„во всем диапазоне основной полосы поглощения. При этом вблизи

Е, фоточувствительность определяется обоими выпрямляющими контактами, поскольку коэффициент поглощения мал, и излучение проникает во всю толщу полупроводника, Так как электрические поля запорных слоев в таком поверхностно-барьерном диоде направлены противоположно, то фототоки (или фотоэ. д. с.), обусловленные обоими запорными слоями, вычитаются. В области основной полосы поглощения, где коэффициент оптического поглощения К=104 — 106 см — и эффективная глубина проникновения излучения 1/К=

=10 — 4 — 10-6 см, фоточувствительность определяется лишь выпрямляющим контактом у освещаемой стороны.

Для осуществления электронного переключения предлагаемого прибора на режим избирательной чувствительности при Е<Е „и Е= А со сменой знака фотосигнала достаточно приложить к фотодиоду напряжение, расширяющее запорный слой на тыльной поверхности и сужающее запорный слой на освещаемой. В случае полупроводника п-типа плюс подается па электрод, у освещаемой стороны. Большему напряжению соответствует ббльшее изменение толщины запорных слоев.

Фотосигнал в избирательном режиме обусловлен обоими выпрямляющими контактами и зависит от толщины запорных слоев. Поскольку запорный слой у неосвещаемой стороны толще, то именно этим слоем в основном определяется фотосигнал при Е<Е,. При Е>Е„также существует фотосигнал, но за счет работы только суженного запорного слоя у поверх ности, так как в таком случае излучение поглощается только в пределах этого слоя. Однако фотосигнал этот значительно меньше, чем при нулевом смещении. Это связано как с сужением запорного слоя у освещаемой поверхности, так и с уменьшением дифференциального сопротивления этого слоя при приложении к нему прямого смещения из-за роста крутизны вольт-амперной характеристики.

Смена знака фотосигнала при Е=Еп вызвана

Зо

50 противоположным направлением электрических полей запорных слоев.

Для того, чтобы амплитуда пика фоточувствительности в избирательном режиме была максимальной и соизмеримой с максимальной фоточувствительностью в области Е>Е„при работе в неизбирательном режиме, толщина полупроводника d должна удовлетворять условию

2 (W+ L) «d (W+ 2L), где L — диффузионная длина неосновных носителей заряда;

à — толщина запорного слоя у неосвещаемой стороны при работе фотодиода в избирательном режиме.

Верхний. предел, т. е. 2(W+L), обусловлен необходимостью уменьшения потерь фоточувствительности из-за того, что не все излучение, вошедшее в полупроводник, поглощается в области (W+L) у неосвещаемой поверхности. Нижний предел толщины, т. е. W+2L, обусловлен необходимостью исключения роста фо тосигнала в области Е>Е, за счет диффузии фотон осителей, генерируемых у освещаемой поверхности, в область W+L у неосвещаемой поверхности. С целью получения большей амплитуды пика при Е<Е. напряжение должно быть соизмеримо с напряжением пробоя запорного слоя В таком случае толщина запорного слоя у освещаемой поверхности может быть принята равной нулю.

Для экспериментальной проверки был изготовлен фотодиод описанной конструкции из арсенида галлия с концентрацией свободных электродов 5 10" сл - из пластинки толщиной 23 л к. Выпрямляющие контакты были по лучены с помощью золотых электродов. На освещаемой стороне толщина полупрозрачноо го электрода была = 100 A. В избирательном режиме при напряжении 22 в амплитуда пика фоточувствительности при Е<Е, примерно на порядок превышала фоточувствительность при

Е>Е,. При этом она соизмерима с величиной максимальной фоточувствительности при нулевом смещении в области Е>Е„. При меньших напряжениях пиковая фоточувствительность уменьшалась, а фоточувствительность в основной полосе поглощения увеличивалась.

Предмет изобретения

Полупроводниковый фоточувствительный прибор, содержащий на освещаемой поверхности выпрямляющий контакт с металлическим полупрозрачным электродом, отличающийся тем, что, с целью расширения спектрального диапазона его фоточувствительности и возможности переключения с одного спектрального диапазона на другой, прибор на тыльной стороне содержит второй выпрямляющий контакт, а расстояние между контактами определяется из условия

383125

Редактор Л. Максименко

Корректор Л, Царькова

Заказ 426/1269 Изд. № 590 Тираж 780 Подписное

Е1НИИПИ Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР

Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Тип. Харьк. фил. пред. «Патент»

2(W+L) д (W+2L), где W — толщина запорного слоя у неосвещенной стороны;

Составитель А. Кот

Техред T. Ускова

d — расстояние между контактами;

L — диффузионная длина неосновных носителей тока.